برای اغلب مردم، درست کردن یخ کار ساده ای است: کافی است یک ظرف آب را در فریزر قرار دهیم. اما شیمیدانی به نام «یون می چوی» Eun Mi Choi و همکارانش در دانشگاه ملی سئول در کره جنوبی به این مسئله به گونه ای دیگر می نگرند. برای آنها درست کردن یخ از طریق کاهش دما تا زیر نقطه انجماد آب، آخرین گزینه محسوب می شود و نه اولین گزینه. این محققان ترجیح می دهند با قرار دادن آب در معرض میدان های الکتریکی یخ درست کنند و شگفت انگیزتر آنکه این کار را در دمای اتاق انجام می دهند.
اما همانطور که «دنیس ویتلی» (Denys Wheatley) زیست شناس سلولی دانشگاه آبردین انگلستان که بر روی تاثیر آب بر سیستم های زنده تحقیق می کند نیز اذعان دارد، ایجاد یخ در دمای اتاق یا اصطلاحا «یخ داغ» واقعا حیرت انگیز است چراکه قرن های متمادی تصور بشر آن بود که ایجاد یخ فقط با سرما میسر است.
آزمایش موفقیت آمیز «چوی» که چند ماه پیش صورت گرفت سرانجام به جست وجویی 10ساله در مورد نحوه تشکیل «یخ داغ» پایان داد. اما نتیجه غیرمنتظره این آزمایش شگفت انگیز سئوال جدیدی را نیز برای دانشمندان مطرح کرد. آزمایش «چوی» حاکی از آن است که نه تنها تبدیل آب ولرم به یخ توسط اعمال میدان الکتریکی، کاری شدنی است بلکه شدت میدان لازم برای این کار نیز به طور غیرمنتظره ای پایین است، آنقدر پایین که به سهولت می توان میدان های مشابهی را در گوشه و کنار طبیعت از شکاف میان تخته سنگ ها و خلل و فرج ذرات خاک معلق در هوا گرفته تا فضای میان پروتئین ها در سلول های بدن یافت. به همین علت تحقیقات اخیر پس از کشف «یخ داغ»، بر روی این پرسش متمرکز شده است که آیا «یخ داغ»، به طور طبیعی در طبیعت نیز شکل می گیرد.
اما بازگردیم به داستان کشف «یخ داغ». داستان تشکیل یخ در دمای اتاق با کشفی به ظاهر تصادفی در سال 1995 و توسط یک دانشمند علم مواد به نام «یاکوب کلین» Jacob Klein در مؤسسه علوم ویزمان Weizmann در اسرائیل آغاز شد. او متوجه شد که مایعات آلی محصور شده مابین صفحاتی از جنس میکا که تنها چند نانومتر با همدیگر فاصله گرفته اند در دمایی بسیار بالاتر از حالت معمول خود منجمد می شوند.
همین مسئله سبب شد تا او به این فکر بیفتد که شاید به روشی مشابه بتوان در دمای اتاق یخ ایجاد کرد. اینگونه بود که کلین شش سال بعد را صرف آزمایش بر روی آب و دیگر مایعات کرد. آزمایش های او برای منجمد کردن اغلب مایعات در دمای اتاق موفقیت آمیز بود اما در مورد آب خیر. می دانیم که آب یک مایع معمولی نیست. در حالی که اغلب مواد در حالت جامد خود، چگال تر از حالت مایع هستند اما موضوع در مورد آب برعکس است به همین دلیل هم کوه های یخ در آب شناور می مانند چراکه آب، پس از انجماد، منبسط شده و نتیجتا چگالی یخ، کم تر از چگالی آب است. نهایتا «کلین» به این نتیجه رسید که محصور کردن مولکول های آب در فضای تنگ مابین صفحات جامد خود به عنوان مانعی برای انجماد آب عمل می کند. به همین دلیل هم او از ادامه آزمایش خود بر روی آب منصرف شد.
اما «کلین» یک عامل حیاتی را که برای ایجاد یخ در دمای اتاق لازم است ندیده بود و آن، میدان الکتریکی بود. اما همین که کلین پروژه تحقیقاتی خود را متوقف کرد دو زیست فیزیکدان به نام های «رونن زانگی» Ronen Zangi و «آلن مارک» Alan Mark که در آن زمان در دانشگاه گرونینگن در هلند بودند، ادامه تحقیق را به دست گرفتند. این دو محقق در سال 2003 موفق به انجام یک شبیه سازی رایانه ای شدند که نشان می داد در هنگام اعمال یک میدان الکتریکی چه اتفاقی برای مولکول های آب محصور میان صفحات جامد خواهد افتاد.
از آنجایی که دو اتم هیدروژن موجود در مولکول آب دارای بار جزیی مثبت بوده و اتم اکسیژن این مولکول نیز بار جزیی منفی دارد بنابراین اعمال میدان الکتریکی بر روی آب می تواند جهت گیری های تصادفی مولکول های آب را تغییر داده و آنها را همانند مولکول های جامدات منظم کند. شبیه سازی های «زانگی» و «مارک» حاکی از آن است که این میزان نظم می تواند به حدی باشد که حتی در دمای اتاق هم آب را منجمد و جامد گرداند. «مارک» دراین باره می گوید: «با یک میدان الکتریکی قوی حتی می توان یک لیوان پر از آب را در دمای اتاق به یخ تبدیل کرد.» اما هیچ کس نتوانسته بود صحت این پیش بینی را حتی با مقادیر بسیار جزیی آب به طور تجربی نشان دهد تا اینکه نوبت به «چوی» رسید.
«چوی» و همکارانش ابتدا لایه نازکی از آب را مابین یک صفحه و یک سوزن بسیار باریک فلزی محصور کردند. سپس میدان الکتریکی ضعیفی را مابین سوزن و صفحه فلزی اعمال کرده و سر سوزن را به تدریج به صفحه نزدیک کردند. هنگامی که سر سوزن فقط 70 نانومتر با صفحه فلزی فاصله داشت، سوزن به مانعی برخورد کرد و دیگر جلوتر نرفت. این مانع، در واقع لایه ای از یخ بود و بدین ترتیب «چوی» برای اولین بار در جهان موفق به ایجاد «یخ داغ» شده بود.
اما آنچه محققان را به طور خاص شگفت زده کرد آن بود که ایجاد «یخ داغ» با اعمال شدت میدانی در حدود یک میلیون ولت بر متر میسر شده بود. اگرچه ممکن است این شدت میدان، زیاد به نظر برسد اما برعکس تصور شما، این میدان در حدی است که به راحتی می توان مشابه آن را در بسیاری از نقاط طبیعت یافت. به عنوان مثال، در میان خلل و فرج ذرات خاک معلق در هوا، بار الکتریکی کافی برای ایجاد چنین شدت میدانی وجود دارد. چنین میدانی می تواند حتی در هوای معتدل نیز توده ای از مولکول های آب را به بلورهای بسیار کوچک یخ تبدیل کند. بدین ترتیب پدیده «یخ داغ» ممکن است بتواند نحوه تشکیل ابرها در آسمان را که سال هاست به شکل یک راز سر به مهر باقی مانده و دانشمندان علوم جوی را سردرگم کرده است تبیین کند. به همین ترتیب، میدان های الکتریکی موجود مابین غشاء سلول های عصبی و یا سطوح پروتئین ها و پلی ساکاریدها نیز می توانند به اندازه کافی شدید باشند که منجر به شکل گیری ذرات بسیار کوچک یخ در درون سلول ها شوند.
«ویتلی» معتقد است که بدین ترتیب، به زودی جست وجو برای یافتن «یخ داغ» در حفره های درون پروتئین ها نیز آغاز خواهد شد. او می گوید: «در فواصل بسیار کوچک در سطح پروتئین ها می توان میدان های الکتریکی بسیار شدیدی را یافت.»
درواقع ممکن است نشانه هایی از وجود «یخ داغ»، پیش از این نیز بدون آنکه کسی متوجه آن شده باشد خود را بروز داده باشد. شیمیدان هایی که میزان تحرک مولکول های آب را مطالعه می کردند دریافته بودند که حرکت این مولکول ها در اطراف یون هایی که دارای دو یا سه بار مثبت هستند نظیر یون های کلسیم و کروم به شدت کند می شود. میزان این کند شدن به حدی است که مولکول هایی که در لایه های نزدیک این یون ها قرار دارند ممکن است تا پیش از آنکه جای خود را به دیگر مولکول ها بدهند حتی تا یک ساعت تمام همانطور در اطراف یون مزبور باقی بمانند. اما همین مولکول ها در اطراف یون های تک بار نظیر پتاسیم و سدیم برعکس بسیار پرجنب و جوش هستند. در واقع ممکن است حرکت کند آب در اطراف یون های با بیش از یک بار مثبت، نشانه ای از انجماد آب در حضور میدان الکتریکی اطراف یون باشد.
«ویتلی» معتقد است که پیامدهای کشف این رفتار شگفت انگیز آب بسیار تکان دهنده خواهد بود. آب بستر حیات محسوب می شود و چنانچه ویژگی های این بستر حتی اندکی هم تغییر کند منجر به تحول بیش از یکصد عامل دیگر در سلول ها خواهد شد. «ویتلی» ادامه می دهد: «به نظر می رسد که آب یعنی همان مایعی که بیشترین بخش بدن ما را تشکیل می دهد هنوز هم جزء ناشناخته ترین عوامل طبیعت است. ویژگی های ناشناخته این مایع حیات بخش، هنوزهم پس از قرن ها تحقیق علمی، ما را شگفت زده می کند.»
ترجمه: شهاب شعری مقدم